基于无线远程控制的自动化水产养殖投食设备设计

时正亚 赵俊 黄春香 夏利玲

摘 要：在当前高密度养殖的情况下，投食机周围由于鱼群大量聚集，排泄物急剧增多，导致区域水域的溶解氧量骤然下降，水质的pH、氨氮、亚硝酸盐指标发生异常，诱发鱼儿的生理性缺氧，极易患病，甚至存在翻塘等风险。为了解决这些问题，本文开发设计出一种具有自行游走功能的水产养殖投食设备，实现水产养殖投料操作的自动化和精细化，提高水产品的养殖效率，降低养殖风险。

关键词：远程控制;自行游走;水产养殖;投食设备

中图分类号：S969.31文献标识碼：A文章编号：1003-5168（2020）22-0013-03

Abstract： In the current situation of high-density aquaculture， due to a large number of fish swarms around the feeding machine， the excreta increases sharply， leading to the sudden decline of dissolved oxygen in regional waters， abnormal indicators of pH， ammonia nitrogen and nitrite of water quality， which induce physiological hypoxia of fish， and are prone to disease， and even have the risk of turning over the pond. In order to solve these problems， this paper developed and designed a kind of aquaculture feeding equipment with self-propelled function， realized the automation and refinement of aquaculture feeding operation， improved the aquaculture efficiency and reduced the aquaculture risk.

Keywords： remote control;self walking; aquaculture;feeding equipment

水产养殖是人为控制下繁殖、培育和收获水生动植物的生产活动[1]。目前，高密度的养殖情况下，投食机周围由于鱼群大量聚集，排泄物急剧增多，导致区域水域的溶解氧量骤然下降，水质的pH、氨氮、亚硝酸盐指标也发生异常，诱发鱼儿的生理性缺氧，经常浮头，不但使得鱼生长受阻，极易患病，更有甚者会导致鱼群死亡。

现有的鱼塘投食机通常只能固定在湖面某一位置，投放面积有限，且由于位置固定不能自行游走，导致投食机周边聚满了鱼群，鱼儿发生拥挤、堆垛，尤其在闷热的夏天，极易发生“翻塘”的风险[2]。因此，设计一种具有自行游走功能的水产养殖投食设备，实现水产养殖投料操作的自动化和精细化尤为必要[3]。

1 自动化水产养殖投食设备构成与作业原理

无线远程控制的自动化水产养殖投食设备由岸上储料送料装置和移动投料浮台两部分构成，并在储料送料装置部分配置了自动称重功能，提供特定数量的饵料，以实现精细喂养。其中，移动投料浮台结构如图1所示。

从图1可知，移动投料浮台由浮力气囊、投食筒、出气风机、电源、气源、传动机构、喷射管、加氧管、氧浓度传感器导管、喷气头、氧浓度传感器、支架、换向阀、紧固件、锥形分料器、连接管、转向电机等组成。在投食筒的筒壁上设有进料口，顶部设有出气口，底部设有投料管，内部设有出气管。其中，进料口沿投食筒壁的切线方向设置，使空气和饵料在投食筒内沿螺旋线向下流动。当风机运行使投食筒内产生负压时，饵料连同空气一起由进料口吸入投食筒内，并在投食筒内沿螺旋线下降，饵料受到重力作用而落下，并通过投食管投放到水中，空气则在出气管的底部转向而向上流动由出气口排出。为了实现投食移动浮台在水面的移动和转向，喷射管底部伸入水中并向一侧延伸，气源输出的气体能沿喷射管底部向外喷出，从而产生推进力驱动移动投料浮台在水面移动。转向电机通过传动机构驱动安装于移动浮台中央的喷射管，使其绕自身轴线旋转，改变喷射管底部延伸部分的方向，以控制移动投料浮台的转向。

由于在投放饵料的过程中会不可避免地出现鱼群聚集的情况，因此会造成水体局部氧气浓度降低。为了避免情况恶化而造成鱼群缺氧，沿移动浮台周向均匀设置4个垂入水中的氧浓度传感器，当某个氧浓度传感器检测到此处的氧浓度过低时，由换向阀实现气路切换，空气由加氧管进入水中实现氧气补充。加氧管底部的喷气头有大量孔眼，大大降低了出气流速，避免了流速对鱼群造成的伤害。

2 自动化水产养殖投食设备控制系统设计

自动化水产养殖投食设备控制系统如图2所示。从图2可知，自动化水产养殖投食设备控制系统的主站由PLC、无线通信模块、PC机、TP700Comfort触摸屏（选配）、动载称重模块（储料送料装置处配置）等部分组成。无线通信模块采用内嵌TCP/IP协议的工业级GPRS-DTU，型号为WG-8010[4]。为降低设计成本，PLC选用S7-200系列中的CPU224XP，PC机装载组态王软件。投食移动浮台从站由CPU224XP、无线通信模块GPRS-DTU、Y502-A浓氧度和温度传感器、浮台转向步进电机驱动模块、气源泵变频驱动模块等组成。

无线通信模块WG-8010通过RS232/485数据接口连接PLC，按设定模式自动执行预设AT指令，完成主站与投食移动浮台从站之间的通信，将主站的转向调节角度数据、浓氧度设置值和预警值、温度设置值和预警值、浮台移动启停指令等数据分发给各浮台，并接收各浮台的浓氧度与温度测量值，实现数据的全透明传输。采用MM420变频器来控制气源泵的转速。当浮台处于移动工作状态时，气源泵处于高频运行状态，以便喷射管获得较高气压，保证浮台的移动效果;浮台处于投食状态时，系统根据浓氧度实际测量值，采用PID算法调整变频器输出频率，使加氧管里的加氧量及时可调。移动浮台步进转向电机型号为3S57Q-04079，3M458驱动器驱动喷射管绕浮台轴心0°～360°可调，理论细分可达3600/4 000，实际联调达3600/2 000，满足浮台的转向需要。

投食移动浮台从站由主程序、定时通信中断子程序、浓氧度PID自动调节子程序、移动驱动子程序等组成。其中，主程序流程如图3所示;中断通信子程序完成从主站读取预设数据（预设移动量、预设浓氧度、浓氧度极限值、转角设置值）。

3 结语

本文对常规水产养殖投食设备进行了结构优化设计，并引入无线传感技术实时监控投食水域的浓氧度，利用浮台步进转向电机和气源电磁阀组的控制实现投食浮台的自行移动，解决了高密度养殖情况下投食机周围由于鱼群的大量聚集，排泄物急剧增多，溶解氧量骤然下降，鱼儿缺氧“浮头”等问题，降低了农户的养殖风险。

参考文献：

[1]纪然然，陈曙光，彭晶晶，等.物联网技术在鱼类养殖环境监控方面的应用[J].农业与技术，2015（6）：184-186，223.

[2]刘雨青，李志浩，曹守启，等.基于模糊控制的水产养殖环境智能监控系统设计[J].渔业现代化，2020（2）：25-32.

[3]张仁蜜.智能水产养殖管理系统中的物联网关键技术研究[J].物联网技术，2020（2）：99-100.

[4]吴建伸，曾庆源，欧铃娥.“互联网+水产养殖”系统设计[J].通讯世界，2019（2）：39-40.